天空輻射制冷規模化應用對我國建筑的減碳作用研究

徐第開 盛茗峰 楊榮貴 趙東亮

(1 東南大學能源與環境學院 南京 210096;2 華中科技大學能源與動力工程學院 武漢 430074)

為實現《巴黎協定》將全球溫升控制在1.5 ℃以內的目標[1],我國于2020年提出力爭2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和。為此,住建部發布并于2022年4月起強制實施《建筑節能與可再生能源利用通用規范》[2],表明建筑作為能源轉型與減碳的重點領域[3],亟需低成本且可廣泛應用的減碳技術[4]。在我國建筑部門的碳中和路徑中,降低建筑運行階段的用電量是減少間接碳排放的重要任務之一[5]。天空輻射制冷作為無額外能耗、無需制冷劑的利用外太空極冷環境的制冷技術,對于提升建筑可再生能源使用比例,緩解城市熱島效應以實現“雙碳”目標具有重要的研究意義與應用價值。

天空輻射制冷現象普遍存在于自然界中,是沙漠夜間低溫的重要原因[6-7],但直至20世紀50年代人們才開始深入研究輻射制冷并對其應用潛力開展較為系統的研究[8-10]。尤其近十年,隨著納米光學和超材料技術的發展,可以在白天實現低于環境溫度的輻射制冷材料被制備出來[11]。2014年,美國斯坦福大學Fan Shanhui團隊通過在硅晶圓上制備不同厚度的SiO2和HfO2交替形成的多層膜結構,實現了白天890 W/m2太陽直射條件下低于環境溫度4.9 ℃的制冷效果[12]。2017年,美國科羅拉多大學Yang Ronggui團隊通過在背襯銀的聚甲基戊烯中隨機鑲嵌微米級SiO2小球制備出可以大規模生產的日間輻射制冷材料[13],該材料在白天正午太陽直射條件下具有93 W/m2的平均制冷功率,表面溫度比周邊環境溫度最大降低8 ℃。

輻射制冷材料的深入研究也為大規模應用輻射制冷技術提供了可能[14]。在碳中和大背景的推動下,輻射制冷巨大的節能減碳潛力受到研究者們的關注,周志華等[15]分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節能減排潛力。由于我國建筑存量巨大[16],將輻射制冷材料直接應用于建筑物圍護結構外表面效果尤為突出,能夠起到良好的降溫效果,降低建筑物的冷負荷,從而減少空調系統能耗。Cui Zengkai等[17]將輻射制冷應用于通信基站這類全年散熱量需求很大的結構表面,分析結果表明,在全國不同地區年均節能率可達6.77%～64.29%。Yi Zhitong等[18]研究了將透明輻射制冷膜應用于建筑天窗,可實現最大表面溫降21.6 ℃,對于不同氣候條件下空調能耗可降低40.9%～63.4%。目前輻射制冷產品已經實現了規?；a,且已有部分商業化應用[19]。我國幅員遼闊,存在多個氣候區,而輻射制冷資源受氣候影響顯著,Zhu Yazhu等[20]根據我國氣候分區探討了各省潛在的輻射制冷資源分布狀況,但缺乏對于實際利用率的分析。在此基礎上,本研究綜合考慮到我國不同地區的氣候特點和環境特點差異[16],以既有建筑作為輻射制冷實際應用的載體,擬針對我國不同地區、不同氣候條件分析在應用天空輻射制冷技術后的運行階段所能實現的減碳效果,以及該效果對我國碳中和目標的預期貢獻。

1 研究方法

由于現有的統計報告和文獻數據大多僅提供了全國建筑存量面積的估計總值[21],且大小有所出入,為了對不同建筑類型的碳排放分別進行分析統計,首先對我國統計年鑒[22]、建筑業統計年鑒[23]、人口普查年鑒[24]的數據進行了詳細分析和分類匯總,獲得各省不同建筑類型的存量數據。然后,對不同建筑類型分別選取一典型建筑進行建模,利用建筑能耗模擬工具EnergyPlus模擬獲得單位面積基準碳排放量和應用輻射制冷后的減碳率。最后根據減碳率和建筑存量獲得總減碳量,即天空輻射制冷規?；瘧玫臏p碳作用預期。

1.1 建筑存量面積

本研究中對于建筑面積的估算和建筑類型的分類全部基于《中國統計年鑒》、《中國建筑業統計年鑒》和《中國人口普查年鑒》中的數據,且只考慮除港澳臺地區外我國的31個省級行政區。年鑒中房屋面積的主要指標有房屋施工面積和房屋竣工面積,其中房屋竣工面積指報告期內房屋建筑按照設計要求已全部完工,達到住人和使用條件,經驗收鑒定合格或達到竣工驗收標準,可正式移交使用的各棟房屋建筑面積的總和。《中國建筑業統計年鑒》中對建筑類型按用途進行了劃分,1997—2002年分為廠房、住宅、辦公用房、商業居民服務業用房、文化教育用房、醫療用房、科研用房和其他用房;2003—2010年進一步細化為廠房倉庫、住宅、辦公用房、批發和零售用房、住宿和餐飲用房、居民服務業用房、教育用房、文化體育娛樂用房、衛生醫療用房、科研用房和其他用房;2010年以后建筑統計中分出了8大類,分別為住宅用房、商業及服務用房、辦公用房、科研教育和醫療用房、文化體育和娛樂用房、廠房及建筑物、倉庫和其他用房,其中幾個大類又進一步細分為幾個小類。基于上述分類,為便于統計,本研究將所有建筑分為9類,如圖1所示。其中城市住宅住宿用房包含了城市住宅用房和賓館住宿用房,與農村住宅用房一起組成了存量建筑中近70%的建筑面積。住宅住宿用房是既有建筑中的主要組成部分,從建筑自身的運行能耗而言也是碳排放的主要來源。其他建筑包含了商務會展用房等數量較少、未在年鑒中列明的建筑。圖1所示的各建筑類型竣工面積比例基于近十年(2010—2020)的年鑒數據分類匯總得出,所有數據經過《中國統計年鑒》和《中國建筑業統計年鑒》對比以保證準確性。

圖1 近十年我國各類型建筑總竣工面積比例

由于早年我國統計數據較為粗糙,僅憑建筑業年鑒難以得出準確的存量,所以本研究根據《中國人口普查年鑒-2020》[24]的人均住房面積數據計算得出各省農村與城市住房存量面積,通過現存住房面積結合圖1中的比例,估計各省不同類型建筑存量面積。結果表明,截至2020年我國建筑的總存量面積為774.9億m2,其中各省或自治區的存量面積如圖2所示。

圖2 截至2020年各省/自治區建筑存量面積

1.2 典型建筑模型

對不同建筑類型中的典型建筑進行EnergyPlus建模,如圖3所示。通常建筑又可分為居住建筑、工業建筑和公共建筑,不同建筑遵循不同的節能設計標準,對居住建筑而言各氣候區也有各自的節能設計標準,如表1所示。針對輻射制冷應用,圍護結構的區別是不同氣候區效果的關鍵影響因素,為此依據標準修改了各建筑模型在不同氣候區條件下的外墻、屋頂保溫層厚度及窗戶的太陽得熱系數等。應用輻射制冷后,建筑模型的主要改變在于圍護結構外表面的輻射性能參數。需要注意的是,我國高層住宅樓、寫字樓也有很高的存量,可以在這些建筑中的側墻外立面和窗戶應用輻射制冷[25],本研究中將該情況歸納簡化為典型建筑于屋頂表面的輻射制冷應用?；谝幠；a的輻射制冷產品參數[13],將應用輻射制冷后的屋頂外表面的太陽及可見光波段(0.3～2.5 μm)吸收率設置為0.04,中紅外波段(>2.5 μm)吸收率設置為0.93。

表1 各典型建筑所屬類別及遵照標準

圖3 典型建筑模型

1.3 氣象資料

按建筑氣候區劃標準[32],我國可分為嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區,如圖4所示。本研究在我國各省選取一座氣象站的典型氣象年數據[33]作為模擬建筑能耗的依據,各氣象站所在城市、地理位置以及相對海拔高度均繪制于圖中。

圖4 所選氣象站地理位置及海拔高度(含氣候分區)

1.4 碳排放分析

建筑模型中以電作為制冷的驅動能源,天然氣作為采暖的主要方式。故對于碳排放的計算分為電力碳排放和天然氣碳排放兩部分[34],均以CO2(當量)為單位。電力碳排放計算:

Ee=QFgrid

(1)

式中:Ee為電力碳排放,kg CO2;Q為耗電量,kW·h;Fgrid為電力碳排放因子,為不同區域電網年度電量邊際排放因子的加權平均值,按表2選取。

表2 區域電網基準碳排放因子

天然氣碳排放計算:

(2)

式中:Egas為天然氣碳排放,kg CO2;VCO2為常規能源的碳排放因子,kg CO2/(kW·h);天然氣的碳排放系數為0.448 3 kg CO2/kg ce(標準煤);Qgas為天然氣實際燃燒后的供熱量,MJ;qst為常規能源的標準熱值,即1 kg標準煤的發熱量,為29.307 MJ;ηt為以傳統能源為熱源時的運行效率,選用天然氣時該值為0.8[35]。

2 結果與分析

2.1 代表性城市氣候及減碳預期

為直觀展現各建筑類型于各氣候區的能耗和減碳潛力差別,首先選取了嚴寒地區的烏魯木齊、寒冷地區的北京、夏熱冬冷地區的重慶和上海、夏熱冬暖地區的廣州和海口以及溫和地區的貴陽作為代表性城市進行模擬。根據典型氣象年數據,這7座城市在各自夏季和冬季設計日的天氣條件如圖5和圖6所示。由圖可知,夏季各地氣溫均帶來了一定的制冷需求,但濕度的差異相對較大,非嚴寒和寒冷地區的濕度明顯更低。而冬季設計日,各城市溫、濕度的差異都很顯著,在部分城市甚至一天內的變化都很大。

圖5 各城市夏季設計日全天溫濕度變化

運用前述模擬方法,首先針對各氣候區代表性城市與典型建筑進行基于輻射制冷的節能改造模擬。在應用輻射制冷前,典型建筑在各城市的碳排放如圖7所示,后續減碳量、減碳率的計算均基于此基準碳排放值?？梢钥吹?在如貴陽的溫和地區碳排放的基準值最低;?？诘睦湄摵奢^大,而制冷所導致的用電碳排放很高,所以整個地區的碳排放均值較高。從建筑類型來看,醫療用房、辦公用房、批發零售餐飲用房這類公共建筑的基準碳排放量很高,這與公共建筑需要滿足更長時間、更高要求的室內熱環境標準有關?；鶞侍寂欧抛畹偷慕ㄖ菑S房及倉庫,該建筑類型通常僅在部分辦公區域進行溫濕度的調節,因此運行碳排放相對較低。

應用輻射制冷技術后,各典型建筑在代表性城市的減碳率如圖8所示?？梢钥吹?廠房及倉庫這類建筑中,雖然碳排放的基準值較低,但減碳率相對最高。因為該類建筑通常為單層或低樓層,輻射制冷獲取的冷量分攤至單位建筑面積上更多,實現更高的單位面積減碳率,因此從減碳率來看輻射制冷在這類建筑中更具應用優勢。此外可以看到,兩種居住建筑的減碳率均在較高的水平,鑒于我國居住建筑存量巨大這一現狀,可以初步判斷輻射制冷的應用潛力很大。在所有情況中,還有部分建筑類型在部分城市無法實現減碳效果,這一點在全國碳排放空間分布分析中會進一步體現。

2.2 全國碳排放空間分布及減碳預期

用相同的方法對全國各省進行節能與減碳的模擬計算。首先獲得各典型建筑在各省的基準碳排放表現,如圖9所示,不同建筑的平均減碳率相差較大,但與代表性城市的主要趨勢符合。醫療用房的碳排放很高,但存量面積小,農村住宅和城市住宅住宿用房的存量面積很大,但單位面積的基準碳排放相對較小。廠房及倉庫建筑擁有最低的碳排放基準量。將各建筑單位面積的基準碳排放量與各省各建筑類型存量面積(圖2)進行乘積求和,可知全國總建筑運行碳排放為22.74億t CO2,與《中國建筑能耗研究報告2020》[16]中的21.1億t CO2相對誤差小于8%,基本符合實際情況。

因為居住建筑、公共建筑和工業建筑3類建筑擁有完全不同的標準和負荷動態,以下分別以農村住宅建筑、廠房及倉庫用房和辦公用房為例,分析減碳率的空間分布,如圖10～圖12所示。我國的農村住宅建筑因其建筑歷史及特點,通常層數低,保溫性能一般,在減碳方面具有較高的潛力。由圖10可知,在全國范圍內,應用輻射制冷對此類建筑均有減碳效果。尤其是在西南地區減碳率整體較高,原因是該地區制冷需求較大,通過輻射制冷可以降低的電力消耗顯著,同時采暖需求不高,輻射制冷帶來的過冷問題無顯著影響,不會引入過高的采暖負荷。較為特殊的是新疆,整體減碳率較高,主要原因是當地的輻射制冷資源較為豐富[36],且此類建筑的輻射制冷適用性較高。在廠房及倉庫建筑,地區分布的規律同樣成立。但因為前述此類建筑的特點,在氣溫較高的時間段輻射制冷帶來的效果好,同時在一些不需要制冷的日子里,過冷的問題又會凸顯,因此該類建筑的減碳量地區差異很大。在新疆等輻射制冷資源極為豐富的地區,對保溫較差的建筑,過冷的問題尤其突出,不適合使用輻射制冷進行改造。在辦公用房這類公共建筑中,為了維持室內長時間的熱舒適性,通常冷熱負荷均較大,且保溫性能較好,輻射制冷能帶來的節能效果有限,減碳率也相對較低。

圖10 典型居住建筑(農村住宅)減碳率分布

圖12 典型公共建筑(辦公用房)減碳率分布

按總減碳量除以基準碳排放量計算得出各省所有建筑的平均減碳率分布圖13所示。需要說明的是,平均減碳率的統計僅統計了具有減碳效果的地區和建筑類型,若減碳率值為負,即說明在此地該建筑類型不適宜應用輻射制冷技術。其中居住建筑和工業建筑具有較高的平均減碳率和中位數。由圖13可知,輻射制冷應用在全國均有減碳潛力,平均減碳率中位數為9.22%。若按氣候分區為界,嚴寒地區為4.92%,寒冷地區為8.81%,夏熱冬冷地區為10.71%,夏熱冬暖地區為10.92%,溫和地區為16.77%,可以看到在南方地區的減碳率更高,與單一建筑的空間分布規律類似。

圖13 應用輻射制冷以后各省/自治區平均減碳率及按氣候區劃分的平均減碳率

根據分省分建筑類型存量統計和各建筑類型在不同城市氣候下的減碳率,計算得出各省總減碳量如圖14所示?？梢钥吹?應用輻射制冷進行既有建筑改造,廣東的減碳效果遙遙領先,主要與該地區人口眾多、建筑存量大,以及天氣炎熱、降溫需求大有關。總計而言,全國年總減碳量為2.30億t CO2,其中住宅建筑為1.75億t CO2,工業建筑為0.22億t CO2,公共建筑為0.33億t CO2。按年建筑運行碳排放21.1億t CO2且建筑運行占能源總碳排放21.9%[22]計算,全國規模化應用輻射制冷的減碳量占建筑運行碳排放的10.90%,占能源總碳排放的2.39%,具有廣闊的應用前景。

圖14 應用輻射制冷后各省/自治區年總減碳量

3 結論

本文研究了輻射制冷技術在我國建筑應用的減碳預期,即降低建筑運行階段碳排放的潛力。以《中國統計年鑒》、《中國建筑業統計年鑒》和《中國人口普查年鑒》為依據統計我國目前的總建筑存量面積,以及各省各建筑類型的存量面積。結果表明我國目前建筑存量面積約為774.9億m2,可按其用途大致分為城市住宅住宿用房、農村住宅、廠房及倉庫、辦公用房、科教文體娛用房、批發零售餐飲用房、其他建筑、居民服務業用房、醫療用房。對這9類建筑類型分別按節能標準建模,并在我國31個省級行政區(除港澳臺)分別選取氣象站典型氣象年數據,利用建筑能耗模擬工具EnergyPlus計算獲得各省各建筑類型在建筑運行階段用電與用天然氣的碳排放基準值及應用輻射制冷后的減碳量、減碳率。結果表明居住建筑和工業建筑具有較高的平均減碳率。進一步分析了全國的減碳率空間分布,按氣候區劃分的平均減碳率為嚴寒地區4.92%,寒冷地區8.11%,夏熱冬冷地區10.71%,夏熱冬暖地區10.92%,溫和地區16.77%。匯總得出全國年總減碳量為2.30億t CO2,占建筑運行碳排放的10.90%,占能源總碳排放的2.39%。對于我國實現雙碳戰略目標貢獻巨大。